疲劳试验

金属疲劳试验主讲教师:
一、实验目的
1. 了解疲劳试验的基本原理。

2. 掌握疲劳极限、S-N曲线的测试方
法。

二、实验原理
1．疲劳抗力指标的意义
目前评定金属材料疲劳性能的基本方法就是通过试验测定其S-N曲线(疲劳曲线)，即建立
最大应力σ
max 或应力振幅σ
α
与其相应的断裂
循环周次N之间的关系曲线。

不同金属材料的S-N曲线形状是不同的，大致可以分为两类，如图1所示。

其中一类曲线从某应力水平以下开始出现明显的水平部分，如图1(a)所示。

这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。

这表明当所加交变应力降低到这个水平数值时，试样可承受无限次应力循环而不断裂。

因此将水平部分所对应的应力称之为金属的疲劳极限，用符号σ
R 表示(R为最小应力与最大应力之比，称为应力比)。

若试验在对称循环应力(即R=-1)下进行，则其疲劳
极限以σ
-1表示。

中低强度结构钢、铸铁等材料的S-
N曲线属于这一类。

对这一类材料在测试其疲劳极限时，不可能做到无限次应力循环，而试验表明，这类材料在交变应力作用下，如果应力循环达到107周次不断裂，则表明它可承受无限次应力循环也不会断裂，所以对这类材料常用107周次作为测定疲劳极限的基数。

另一类疲劳曲线没有水平部分，其特点是随应力降低，循环周次N不断增大，但不存在无限寿命。

如图1(b)所示。

在这种情况下，常根据实际需要定出一定循环周次(108或5×107…)下所对应的应力作为金属材料的“条件疲劳极限”，用符号σ
R(N)
表示。

2．S-N 曲线的测定
(1) 条件疲劳极限的测定
测试条件疲劳极限采用升降法，试件取13根以上。

每级应力增量取预计疲劳极限的5％以内。

第一根试件的试验应力水平略高于预计疲劳极限。

根据上根试件的试验结果，是失效还是通过（即达到循环基数不破坏）来决定下根试件应力增量是减还是增，失效则减，通过则增。

直到全部试件做完。

第一次出现相反结果（失效和通过，或通过和失效）以前的试验数据，如在以后试验数据波动范围之外，则予以舍弃；否则，作为有效数据，连同其他数据加以利用，按下列公式计算疲劳极限：
()11n R N i i i v m σσ==∑ 1
式中m——有效试验总次数；n—应力水平级数；—第i级应力水平；—第i级应力水平下的试验次数。

例如某试验过程如图2所示，共14根试件。

预计疲劳极限为390MPa，取其2.5％约
10MPa为应力增量，第一根试件的应力水平402MPa，全部试验数据波动如图2，可见，第四根试件为第一次出现相反结果，在其之前，只有第一根在以后试验波动范围之外，为无效，则按上式求得条件疲劳极限如下：
()1
(3392538243721362)380(MPa) 13
R N
σ=⨯+⨯+⨯+⨯=
图2 增减法测定疲劳极限试验过程
()
R N σ()
R N σ这样求得的，存活率为50％，欲要求其他存活率的，可用数理统计方法处理。

（2）S-N曲线的测定
测定S－N曲线（即应力水平－循环次数N曲线）采用成组法。

至少取五级应力水平，各级取一组试件，其数量分配，因随应力水平降低而数据离散增大，故要随应力水平降低而增多，通常每组5根。

升降法求得的，作为S－N曲线最低应力水平点。

然后，以为纵坐标，以循环数N或N的对数为横坐标，用最佳拟合法绘制成S－N曲线，如图3所示。

三、疲劳实验机及疲劳试样
1. 疲劳实验机
疲劳试验机有机械传动、液压传动、电磁谐振以及近年来发展起来的电液伺服等，机械传动类中又有重力加载、曲柄连杆加载、飞轮惯性、机械振动等形式，以下简述几种常用的疲劳试验机。

(1)旋转弯曲疲劳试验机
这种试验机的历史最悠久、积累数据最多，是一种迄今仍在广泛应用的疲劳试验机设备，是从模拟轴类工作条件发展起来的。

图4示出了旋转弯曲疲劳试验机外形图，试样1与左、右弹簧夹头连成一个整体作为转梁。

用左、右两队滚动轴承四点支承在一对转筒2内，电动机3通过计数器5、活动联轴节4带
动试样在转筒内转动，加载砝码通过吊杆7
和横梁6作用在转筒2上，从而使试样承受一个恒弯矩。

吊重不动，试样转动，则试样截面上承受对称循环弯曲应力。

当试样疲劳断裂时，转筒2落下触动停车开关，计数器记
下循环断裂周次N，这样的试验机转速一般
在3000～10000次/min。

图中8为加载卸载手轮。

（2）电磁谐振疲劳试验机
瑞士Amsler高频疲劳试验机是一个由试样3、弹性测力计4、调节固有频率的质量块1、电磁振荡器14、预加载弹簧5以及重大的起反作用的质量块2组成的振动体系，整个体系放在四个隔振块7上，如图5所示，这个体系有一个固有振动频率，微小的振动就使小电磁铁13得到一个与固有频率同相位的电势信号通入放大器15，经过功率放大，得到强大的电流通入电磁振荡器14，使试样以系统固有频率经受循环载荷。

弹性测力计4的弹性外壳与中心自由悬垂不受力的杆17在系统受力过程中发生位移差而使带着小镜子16的杆转动，小镜子16上接收来自线光源在转动中
发生偏转，偏转反映在透明标尺9上，指示试样所受的力的大小及范围。

图5 Amsler 高频疲劳试验机
调节光电管11及光阑10位置，形成载荷信号反馈到放大器15，修正通入振荡器的电流值，从而修正试样所受载荷大小。

质量块1是由
几个圆盘组成的，可通过增减圆盘改变质量以调节固有频率，改变试样尺寸也可调节固有频率，频率范围为60～300 Hz。

通过调节丝杠6和弹簧5可施加静载荷，欲得到任意不对称的循环载荷。

这样的机器现在应用很广泛，可用之做轴向加载和弯曲加载的试验以及裂纹扩展方面的试验。

机器装有载荷保护装置，当载荷过大、过小超过规定范围时，自动停车。

（3）电液伺服疲劳试验机
图6所示的是Instron系列电液伺服材料试验机原理图。

给定信号I通过伺服控制器将控制信号送到伺服阀1，用来控制从高压液压源III来的高压油推动作动器2变成机械运动作用到试样3上，同时载荷传感器4，应变传感器5和位移传感器6又把力、应变、位移转化成电信号，其中一路反馈到伺服控制器中与给定信号比较，将差值信号送到伺服阀调整作动器位置，不断反复此过程，最后试样上承受的力（应变、位移）达到要求精度，而力、位移、应变的另一路信号通入读出器单元IV上，实现记录功能。

2．疲劳试样
疲劳试样的种类很多，其形状和尺寸主要决定于试验目的、所加载荷的类型及试验机型号。

试验时所加载荷类型不同，试样形状和尺寸也不相同。

现将国家标准中推荐的几种旋转弯曲疲劳试验和轴向疲劳试验的试样列于图7至图14，以供选用。

图7 圆柱形光滑弯曲疲劳试样图8 圆柱形缺口弯曲疲劳试样
图9 圆柱形光滑轴向疲劳试样图10 圆柱形V形缺口轴向疲劳试样图11 漏斗形光滑轴向疲劳试样图12 矩形光滑轴向疲劳试样
图13 漏斗形轴向疲劳试样图14 矩形U形缺口轴向疲劳试样以上各种试样的夹持部分应根据所用的试
验机的夹持方式设计。

夹持部分截面面积
与试验部分截面面积之比大于1.5。

若为
螺纹夹持，应大于3。

四、实验步骤与方法
本实验在旋转弯曲疲劳试验机上进行，其试样形状与尺寸如图7所示。

实验材料以2024铝合金或中碳钢为宜。

1．试验准备工作
（1）领取试验所需试样，将试样两端打上编号。

（2）用精度为0.02mm的游标卡尺测量试样尺寸，在试样工作区的两个相互垂直方向各测一次，取其平均值。

按国标规定，凡是偏差大于±IT10和表面有加工疵品的试样均不能用。

（3）静力试验。

取其中一根合格试样，在拉伸试验机上测其σb 。

静力试验目的一方面检验材质强度是否符合热处理要求，另一方面可根据此确定各级应力水平。

2．S-N 曲线测试
（1）按前述有关规定确定各级应力水平。

（2）确定载荷。

根据试样直径d 及载荷作用点到支座距离α，代入弯曲应力计算公式：
3/232
F d απσ=2(/16)F d πασ=得：1
将选定的应力σ1，σ2…代入上式，即可求得相应的F 1，F 2…。

此时若砝码配重无法满足计算载荷F 1，F 2…时，可按实际所加的相近重量，依次为实际载荷，再反算出实际应力。

（3）安装试样。

将试样安装在试验机上，使其与试验机主轴保持良好同轴，用百分表检查。

再用联轴节将旋转整体与电动机连接起来，同时把计数器调零。

若电动机带有转速调节器，也将其调至零点。

（4）正式试验。

接通电源，转动电机转速调节器，由零逐渐加快。

试验时，一般以
6000r/min 为宜。

当达到试验转速后，再把估算的砝码加到砝码盘上。

（5）观察与记录。

由高应力到低应力水平，逐级进行试验。

记录每个试样断裂的循环周次，同时观察断口位置和特征。

3.条件疲劳极限σR(N)的测定
条件疲劳极限的测定方法和操作步骤与其S-N 曲线的测定基本上一样，所不同的就在应力水平及应力增量的选定上。

对钢材而言，σR(N)测试中，也选四级应力水平，其中第一个试样的应力σ1取0.5σb ，而应力增量建议取0.025σb 。

然后用升降法进行试验，并将试验结果记在图15中。

在试验过程中随时记录，随时进行数据分析。

当有效数据达到13个以上，则停止试验。

将图15中的数据代入式1计算条件疲劳极限。

图15 升降法试样情况记录表
五、试验报告要求
1.说明试验所用设备的型号、画出试样草
图。

2.简述升降法测定σR(N)的方法。

3.按图16的试验数据，计算2024铝合金在
R=0.1时的条件疲劳极限σR(N)值。

图16 2024铝合金R＝0.1的升降图
END !
(a) (b)
图1 金属的S-N曲线示意图
(a) 有明显水平部分的S-N曲线；(b) 无明显水平部分S-N曲
图3 S－N曲线图
图4 旋转弯曲疲劳试验机
图6 电液伺服材料试验机。